TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN
ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG Thuộc nhóm ngành khoa học : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Sinh viên thực hiện : Đoàn Văn Hiếu Nam
Hà Văn Vương Nam
Lê Duy Ngọc Nam
Dân tộc: Kinh
Lớp: Công trình giao thông thành phố Khoa: Công trình Năm thứ: 2/4,5 năm
Ngành học: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài: Đoàn Văn Hiếu

Người hướng dẫn: ThS. Hồ Sỹ Diệp MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1

1.Thông tin chung:
- Tên đề tài: “Khảo sát độ chính xác đo dài của máy toàn đạc điện tử và GPS thông
dụng”.
- Sinh viên thực hiện: Đoàn Văn Hiếu, Hà Văn Vương, Lê Duy Ngọc
- Lớp: Công trình giao thông thành phố Khoa: Công trình
- Năm thứ: 2 Số năm đào tạo: 4,5 năm.
- Người hướng dẫn: ThS. Hồ Sỹ Diệp
2.Mục tiêu đề tài:
Tìm hiểu về máy toàn đạc điện tử và GPS (cấu tạo, chức năng) trong đó, tập
trung nghiên cứu chức năng đo khoảng cách. Từ đó, khảo sát độ chính xác đo dài của
máy Toàn đạc điện tử và GPS thông dụng trên lý thuyết. Sau đó, tiến hành đo thực
nghiệm để so sánh độ chính xác giữa hai thiết bị đo.
3. Tính mới và sáng tạo:
Nhóm sinh viên đã tiếp cận và áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết
hợp với thực nghiệm để so sánh.
4. Kết quả nghiên cứu:
Đã thực hiện được mục tiêu. Cụ thể là:
- Hiểu biết thêm về máy toàn đạc điện tử và thiết bị GPS.
- Kiểm nghiệm được độ chính xác của máy toàn đạc điện tử và thiết bị đo GPS so
với công thức lí thuyết.
5.Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài :
Ngày 15 tháng 04 năm 2015
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

Đoàn Văn Hiếu

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài:

Sinh ngày: 16 tháng 11 năm 1994
Nơi sinh: An Đức – Ninh Giang – Hải Dương
Lớp: Công trình giao thông thành phố Khóa: 54
Khoa: Công trình
Địa chỉ liên hệ: Hoa Bằng – Cầu Giấy – Hà Nội
Điện thoại: 0985849413 Email: [email protected]
II.QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
*Năm thứ 1:
Ngành học: Công trình giao thông thành phố Khoa: Công trình
Kết quả học tập:
+ Điểm trung bình chung tích lũy:
- Kì 1: 0.8 / 4
- Kì 2: 2.4 / 4
+ Điểm rèn luyện:
- Cả năm: 82 /100
Sơ lược thành tích: Không có thành tích
*Năm thứ 2:
Ngành học: Công trình giao thông thành phố Khoa: Công trình
Kết quả học tập:
+ Điểm trung bình chung tích lũy:
- Kì 1: 3.05 /4
+ Điểm rèn luyện:
- Kì 1: 90/100
Sơ lược thành tích: Học bổng loại khá kì 1 năm 2.
Ngày 15 tháng 04 năm 2015
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài Đoàn Văn Hiếu

quan trọng. Từ đó, các nhà chế tạo máy đã ứng dụng các thành tựu khoa học vào các
thiết bị đo đạc và năm 1640 thì nhà bác học người Anh(Wild) đã chế tạo thành công
máy đo góc có độ phóng đại ống kính 30
x
. Sau đó, công nghệ ngày càng phát triển,
nâng cao hơn và cho ra đời các thiết bị đo hiện đại hơn, có độ chính xác cao hơn gấp
nhiều lần.
Trong những năm gần đây, công nghệ điện tử phát triển mạnh mẽ và được ứng
dụng trong nhiều ngành kỹ thuật, trong đó có Trắc địa. Ứng dụng công nghệ điện tử
hàng loạt các dụng cụ đo đạc hiện đại được ra đời. Các thiết bị đo điện tử như: Máy đo
góc điện tử T100, T1800, TM1100, TM1800, TM2002 của Thụy Sỹ , DT5,DT6 của
Nhật Bản… Máy đo dài điện tử DI1001, DI1600, DI2002 của Thụy Sỹ, EOK2000 của
Đức… Các máy toàn đạc điện tử TC605, TC 1800, TC 2002 của Thụy Sỹ, NTS662…
Các thiết bị đo GPS…
Trong các thiết bị đo hiện nay được sử dụng rộng rãi và có độ chính xác cao đó là
máy toàn đạc điện tử và thiết bị đo GPS. Các thiết bị đo hiện đại này cho phép chúng
ta thực hiện nhiều chức năng đo, trong đó có chức năng đo dài( đo khoảng cách) với
độ chính xác cao. Từ đó, nảy sinh vấn đề: liệu trong đo dài thiết bị nào cho chúng ta độ
chính xác cao hơn? Chính vì vậy chúng tôi đã nghiên cứu đề tài: “Khảo sát độ chính
xác đo dài của máy toàn đạc điện tử và GPS thông dụng”.

2
Trong này đề tài sẽ gồm 2 chương:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG
DỤNG
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN
TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG
1.1 MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ
1.1.1 Giới thiệu tổng quan về cấu tạo máy toàn đạc điện tử
Hiện nay, máy toàn đạc điện tử dần là thiết bị đo đạc chủ yếu trong trắc địa vì nó
cho phép thực hiện đồng thời đo các đại lượng cơ bản: đo góc, đo khoảng cách và đo
cao với độ chính xác cao. Đồng thời, với các phần mềm tiện ích được tích hợp sẵn
trong máy cho phép giải các bài toán cơ bản của trắc địa ngay ngoài thực địa.
Có nhiều hãng trên thế giới sản xuất máy toàn đạc điện tử, nhưng đều có cấu tạo
và các chức năng tương tự nhau. Hình bên dưới mô tả các bộ phận chính của máy toàn
đạc điện tử.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo máy toàn đạc điện tử
1-Kính ngắm sơ bộ;
2-Bộ phận dẫn hướng;
3-Vi động đứng;

Hình 1.3: Sơ đồ khối của máy toàn đạc điện tử
Khối 1: Máy đo khoảng cách điện tử (Electronic DistanceMeter - EDM) thực
hiện đo khoảng cách từ máy đến gương phản xạ, chiều dài đo được trung bình từ 1-
3km đối với một gương và 3-5km đối với gương chùm tùy theo từng loại máy. Độ
chính xác đo chiều dài được tính bằng công thức m
D
= ±(a + b.10
-6
.Dkm)mm trong đó
hệ số a, b = 15mm và D là chiều dài giữa hai điểm tính theo đơn vị km. Kết quả đo
được hiển thị trên màn hình của máy dạng khoảng cách ngang hoặc khoảng cách
nghiêng và được lữu trữ vào bộ nhớ của máy.
Khối 2: Máy kinh vĩ số (Digital Theodolite - DT) thực hiện phép đo góc bằng,

5
góc đứng hoặc góc thiên đỉnh. Máy kinh vĩ điện tử có cấu tạo tương tự như máy kinh
vĩ kinh vĩ quang cơ thông thường, sự khác biệt đó là khi đo góc không phải thực hiện
các thao tác thông thường như chập vạch hoặc đọc số trên thang đọc số mà giá trị
được thể hiện trên màn hình của máy. Độ chính xác đo góc của máy m = 1 5’’.
Để thực hiện việc tự động hóa quá trình đọc số trên bàn độ người ta có thể sử
dụng hai phương án: phương án mã hóa bàn độ và phương án xung. Các máy kinh vĩ
sử dụng phương án mã hóa được gọi là máy kinh vĩ mã hóa (CODE THEODOLITE),
còn các máy sử dụng phương án xung là các máy loại xung.
Trong các máy kinh vĩ dùng toàn bộ theo phương án mã hóa thì các bàn độ
ngang và bàn độ đứng không chia vạch theo các máy thông thường, phần ngoài của
bàn độ( nơi khắc vạch của các máy thông thường) được chia thành các vòng tròn đồng
tâm thường là 5 vòng trên đó người ta vẽ các hình vuông trong suốt và không trong

bản của trắc địa như tính chuyển khoảng cách nghiêng về khoảng cách ngang, đo
chênh cao giữa 2 điểm bằng phương pháp đo cao lượng giác, tính tọa độ XYH của các
điểm đo, tính tọa độ điểm đặt máy, đo diện tích, đo chiều cao công trình, bố trí điểm ra
thực địa Ngoài ra toàn bộ số liệu đo được ghi lại trong bộ nhớ, thẻ nhớ của máy và
được truyền sang máy tính một cách dễ dàng.
Như vậy kết hợp 3 khối trên lại thành một máy toàn đạc điện tử đa chức năng cho
phép đo các yếu tố với độ chính xác cao, giải quyết các bài toán ngay tại hiện trường
một cách nhanh chóng. Nhờ những tính năng ưu việt đó mà hiện nay máy toàn đạc
được sử dụng phổ biến để thành lập lưới khống chế trắc địa, đo vẽ bản đồ địa hình,
trong xây dựng các công trình, quan trắc biến dạng công trình.
1.1.2 Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng điện từ
Nguyên lý chung của phương pháp đo khoảng cách bằng sóng điện từ là dựa vào
bài toán chuyển động đều, mối quan hệ giữa khoảng cách D với tốc độ v và thời gian t:
D = v.At
Để xác định khoảng thời gian t, người ta ghi nhận thời điểm phát tín hiệu (t
1
) và
thời điểm thu (t2) bằng một bộ thu phát đặt tại một điểm đầu khoảng cách D. Lúc này:
Δt = t
2
– t
1
và công thức D = v.Δt được viết lại dạng: D = v.t

7
B
D

8
thông qua các phần mềm cài sẵn trong máy để tính ra các giá trị đo cần thiết.
 Chương trình đo khảo sát (Surveying)
+ Mục đích: Xác định tọa độ và độ cao của điểm C ngay ngoài thực nếu biết tọa
độ, độ cao điểm đặt máy và điểm định hướng hoặc ngược lại có thể đo góc bằng p, góc
đứng (V, Z) và khảng cách S để tính tọa độ điểm C trong công tác nội nghiệp.
+ Yêu cầu: phải biết tọa độ, độ cao điểm đặt máy A và tọa độ điểm định hướng B
+ Trình tự tiến hành: Tiến hành định tâm cân bằng máy và đo chiều cao máy h
i

tại điểm A, sau đó nhập tọa độ , độ cao và chiều cao máy. Quay máy ngắm chính xác
đến gương dựng tại điểm định hướng B, nhập tọa độ điểm định hướng. Tiếp theo, quay
máy ngắm đến gương dựng tại điểm cần chính xác. Nhập chiều cao gương rồi ấn phím
đo. Dựa vào tọa độ, độ cao hai điểm A, B, các kết quả đo góc, chiều dài, phần mềm
trong máy tính sẽ tính ra tọa độ và hiển thị trực tiếp lên màn hình của máy, đông thời
kết quả đo được lưu lại trong bộ nhớ hoặc thẻ nhớ trong máy .

Hình 1.6: Đo tọa độ của điểm
+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn
Program (Prog), ấn F1 để chọn Suveying.


(i) điểm đặt máy;
-Ấn F3 để nhập tên tọa độ điểm định
hướng;
-Ấn F4 để bắt đầu tiến hành đo.

10
Để bố trí độ cao thiết kế, sau khi xác định được vị trí mặt bằng, dựa vào giá trị
AH dịch chuyển lên xuống cho tới khi AH nằm trong giới hạn sai lệch cho phép, đánh
dấu vị trí chân gương cho độ cao điểm cần bố trí.
+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn
program (prog), ấn F2 để chọn stakeout
 Chương trình đo giao hội nghịch (Free station)
+ Mục đích: Xác định tọa độ, độ cao điểm đặt máy;
+ Yêu cầu: Phải biết tọa độ, độ cao của ít nhất hai điểm trên thực địa;
+ Trình tự tiến hành: Tiến hành định tâm, cân bằng máy và đo chiều cao máy hi
tại điểm C. Quay máy ngắm đến điểm A, nhập tọa độ, độ cao và chiều cao gương hr
rồi ấn phím đo để xác nhận điểm A. Tiếp tục tương tự đối với các điểm khác, rồi gọi
chương trình tính toán. Trên màn hình máy sẽ hiển thị giá trị tọa độ, độ cao và các sai
số tương ứng của điểm đặt máy.
-Ấn F1 để đặt tên cho công việc;
-Ấn F2 để nhập tên, tọa độ, chiều
cao (i) điểm đặt máy;
-Ấn F3 để nhập tên tọa độ điểm
định hướng;

trên màn hình.
+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn
Program (Prog), ấn F2 của trang màn hình thứ 2 để chọn Area & Volume.
-Ấn F1 để đặt tên cho công
việc;
-Ấn F2 để nhập độ chính xác
cần thiết (giới hạn sai số);
-Ấn F4 tiến hành đo;

12

Hình 1.8: Sơ đồ đo giao hội nghịch bằng máy toàn đạc điện tử
 Chương trình đo chiều cao (Remote Hight)
+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn
Program (Prog), ấn F3 của trang màn hình thứ 2 để chọn Remote Hight. Từ bước 1
đến bước 3 thực hiện giống như chương trình đo khảo sát, ấn phí F4 [Start] để tiến
hành đo chiều cao đối tượng.
+ Mục đích: Xác định chiều cao của
đối tượng mà không thể đặt gương tại đó
được.
+ Trình tự tiến hành: Đặt máy cách đối

vệ tinh có tiềm năng rất lớn để giải quyết các công việc: định vị công trình, xây dựng
các mạng lưới trắc địa chuyên dùng chính xác cao, quan trắc biến dạng công trình
Cho đến nay các hệ thống định vị vệ tinh có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong
trắc địa là NAVSTAR - GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Cộng đồng châu Âu).
Các hệ thống định vị nêu trên có nguyên lý cấu trúc chung, bao gồm 3 thành phần
(được gọi là đoạn) như sau:
1- Đoạn không gian (Space Segment): bao gồm một số vệ tinh trên quỹ đạo.
2- Đoạn điều khiển (Control Segment): bao gồm một trạm điều khiển trung tâm
và một số trạm theo dõi phân bố tại những vị trí khác nhau trên Trái Đất.
3- Đoạn sử dụng (User Segment): bao gồm các thiết thu và xử lý tín hiệu vệ tinh.
1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System - GPS)
Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellite And Ranging
Global Positioning System (NAVSTAR GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm
1970 do quân đội Mỹ chủ trì. Vào năm 1978 vệ tinh đầu tiên được phóng lên quĩ đạo

14
và đến 8/12/1993 trên 6 quĩ đạo đã có đủ 24 vệ tinh.
Ban đầu, nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ
chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên đất liền phục vụ
cho bộ quốc phòng Mỹ. Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử
dụng trong dân sự. Từ đó, các nhà khoa học của nhiều nước đã tập trung nghiên cứu
phát triển công nghệ GPS để đạt được những thành quả cao nhất trong việc phát huy
nguồn tiềm năng to lớn này. Hướng nghiên cứu chủ yếu đi vào các lĩnh vực:
- Chế tạo máy thu tín hiệu.
- Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu đáp ứng cho nhiều mục đích.
- Thiết lập và phát triển công nghệ ứng dụng trong các chuyên ngành.
Song song với hệ thống GPS của Mỹ, Liên Xô (cũ) cũng đã xây dựng một hệ

Các sóng tải này được điều biến bởi các mã, mã C/A và mã P. Sơ đồ liên hệ giữa
các sóng tải và các mã điều biến được mô tả trong dưới.
Mã C/A (Coarse/Accquisition code) là mã thô cho phép sử dụng rộng rãi. Mã C
/A là một chuỗi nhị phân mang tính tựa ngẫu nhiên, có tần số 1.023 MHz, tương ứng
với bước sóng 293 m. Chu kỳ của mã C/A là 1 mi-li-giây, mỗi vệ tinh phát đi một mã
C/A khác nhau và mã C/A chỉ điều biến sóng tải L
1
.
Mã P (Precission code) là mã chính xác, được dùng cho mục đích quân sự là chủ
yếu. Mã P cũng là một chuỗi nhị phân nhưng phức tạp hơn, có tần số 10,23 MHz,
tương ứng với bước sóng 29,3 m, có chu kỳ 267 ngày. Người ta chia mã P thành 38
đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và mỗi đoạn điều biến cho một vệ tinh, sau 7 ngày lại thay
đổi. Bằng cách chia và điều biến này mã P rất khó bị giải mã.
Theo thiết kế, độ chính xác định vị GPS có thể đạt độ chính xác cỡ 1% độ dài
bước sóng, nghĩa là chỉ với mã thô C/A cũng có thể đạt độ chính xác cỡ 3 m. Chính vì
thế phía mỹ đã chủ động làm nhiễu tín hiệu bằng kỹ thuật SA (Selective Availability)
nhằm hạ thấp độ chính xác định vị. Từ ngày 20 - 05 - 2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA. 16

Hình 1.11: Các thông tin điều biến sóng tải L1, L2

Hình 1.12: Cấu trúc các kiểu tín hiệu GPS
Ngoài hai sóng tải L
1
và L

đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình
thời gian nhất định (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng
vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi
phân).

18

Hình 1.14: Đoạn sử dụng
1.2.2 Các đại lượng đo GPS
 Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải
Trong các công tác trắc địa, đo khoảng cách giả(PseudoRange) theo pha các sóng
tải L
1
và L
2
cho độ chính xác cao nên phương pháp đo này được ứng dụng nhiều hơn
cả
Việc đo khoảng cách giả theo pha sóng tải được thực hiện như sau: máy thu GPS
thu tín hiệu vệ tinh và đo hiệu số giữa pha của sóng tải của vệ tinh với pha của tín hiệu
do chính máy thu tạo ra. Ký hiệu pha sóng tải là Ф (0 < Ф < 2 П ) sẽ có:
 



    
